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10. Differentiation & Maclaurin's series

Differentiation & Maclaurin’s series

머릿말


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수업과 크리틱은 병실에서 듣겠습니다.

그래서 파워포인트가 없어서 그림을 못그립니다.

미분(Differentiation)


아 이거 단어를 좀 잘 봐야합니다

derivative와 differentiation이 있는데, 미분 하는건 diff고 이 값들의 집합은 derivative입니다.

상수 함수의 미분은 0이다. 이의 의미를 설명하시오.


상수함수가 무엇인지 부터 알아야겠죠?

f(x)=cy=cf(x)=c\\ y=c

즉 다음과 같은 꼴을 말합니다.

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저희가 변경사항을 찾아볼 때 보통 ‘diff 딴다’ 라는 말을 많이 하잖아요? (우리만 그런가..)

여기서 diff는 파일 비교 유틸리티인데, Differential(미분)라는 단어를 생각하면 또 맞습니다.

미분 - diff는 결국 변화를 표현한다고 보면 되죠.

그리고 상수함수에서는 이 매개변수(x)의 변화에 대한 변화량이 없습니다.

그러므로 상수함수의 미분은 0이 되는 것이죠.

수식적으로 들어간다면 다음과 같이 볼 수 있죠.

f(x)=climh0f(x+h)f(x)h=limh0cch=limh00h=0f(x)=c \\ \lim_{h\rightarrow0} \frac{f\left(x+h\right)-f \left(x \right)} {h}= \\ \lim_{h\rightarrow0} \frac{c-c}{h}= \\ \lim_{h\rightarrow0} \frac{0}{h}=0

함수의 극한이 가지는 성질에 대해 정리하시오.


극한의 성질 1 : 두 함수 합의 극한값은 각 극한값의 합과 같음

limxa[f(x)+g(x)]=limxaf(x)+limxag(x)\lim_{x\rightarrow a}\left[f\left(x\right)+g\left(x\right)\right]=\lim_{x\rightarrow a}f\left(x\right)+\lim_{x\rightarrow a}g\left(x\right)

극한의 성질 2 : 상수와 함수 곱의 극한값은 함수 극한값에 상수를 곱한 것과 같음

limxacf(x)=climxaf(x)\lim_{x\rightarrow a}{cf\left(x\right)}=c\lim_{x\rightarrow a}{f\left(x\right)}

극한의 성질 3 : 두 함수 곱의 극한값은 각 극한값의 곱과 같음

limxa[f(x)g(x)]=limxaf(x)limxag(x)\lim_{x\rightarrow a}\left[f\left(x\right)\cdot g\left(x\right)\right]=\lim_{x\rightarrow a}f\left(x\right)\cdot\lim_{x\rightarrow a}g\left(x\right)

극한의 성질 4 : 두 함수 나눗셈의 극한값은 각 극한값의 나눗셈과 동일

단 분모의 극한값은 0이 아니어야 한다.

limxa[f(x)g(x)]=limxaf(x)limxag(x)\lim\limits_{x\rightarrow a}\left[\frac{f\left(x\right)}{g\left(x\right)}\right]=\frac{\lim\limits_{x\to a}{f\left(x\right)}}{\lim\limits_{x\to a}{g\left(x\right)}}

극한의 성질 5 : 함수를 거듭제곱한 극한값은 극한값을 거듭제곱한 값과 같음

limxa[f(x)]n=[limxaf(x)]n\lim_{x\rightarrow a}\left[f\left(x\right)\right]^n=\left[\lim_{x\rightarrow a}f\left(x\right)\right]^n

극한의 성질 6 : 조임 정리, 샌드위치 정리(Squeeze Theorem)

세 함수의 대소 관계가 g(x)f(x)h(x)g\left(x\right)\le f\left(x\right)\le h\left(x\right) 와 같을 때,

‘어떤 점에서’ 양변 g(x)g\left(x\right)h(x)h\left(x\right) 의 극한값이 같다면 가운데 위치한 함수 f(x)f(x) 의 극한값도 같다.

limxaf(x)=Ls.t.limxag(x)=limxah(x)=L\lim_{x\rightarrow a}f\left(x\right)=L \\ s.t. \lim_{x\rightarrow a}g\left(x\right)=\lim_{x\rightarrow a}h\left(x\right)=L

이 성질은 잘 생각하기 어려운데, 나중에 삼각함수의 미분을 할때 쓰게 되므로, 조금 더 가봅시다.

두 함수 사이를 진동하는 그래프의 예시를 하나 들어본다면

g(x)=x2f(x)=x2sin1xh(x)=x2g(x) = -x^2\\ f(x) = x^2sin\frac{1}{x}\\ h(x) = x^2

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넋두리

처음 이 이론을 접했을 때, ‘어떤 점에서’라는 한정자가 없어서, 어 그러면

g(x)=1f(x)=sin(x)h(x)=1g(x) = -1\\ f(x) = sin(x)\\ h(x) = 1

이 케이스에서 위아래의 두 식의 미분값은 언제나 0인데, 그러면 sin(x)의 미분이 항상 0이라고? 라는 뭔 이상한 케이스가 존재 하는가? 하면서 들었습니다. 하지만 정확히 이론을 조사해본 결과, 샌드위치, 조임정리는 두 함수가 한점에서 만날 때를 기준으로 설명합니다.

함수의 극한이 가지는 성질을 활용해 자연지수함수의 도함수를 구하시오.


자연지수함수의 도함수

f(x)=exf(x)=exf(x)=e^x \\ f'(x)=e^x f(x)=limh0ex+hexh =limh0exehexh =exlimh0eh1h 성질1에 의해 분리하면, 분자와 분모가 같으므로=ex1=exf'(x) = \lim_{h\rightarrow 0} \frac{e^{x+h} - e^x}{h} \\ \space\\=\lim_{h\rightarrow 0} \frac{e^x\cdot e^h - e^x}{h} \\ \space\\ = e^x \cdot \lim_{h\rightarrow 0} \frac{e^h -1}{h} \\\space\text{성질1에 의해 분리하면, 분자와 분모가 같으므로}\\ = e^x \cdot 1\\ = e^x

sin함수의 도함수를 구하시오.


구해야할 핵심 모듈은 다음식입니다. 빠르게 빠르게(입원 11시간 전) 작성해봅시다.

limh0sinhh=1\lim_{h\rightarrow0}{\frac{sin{h}}{h}}=1

원의 넓이

S=πr2S=\pi\cdot r^2

반지름이 1인 부채꼴의 넓이

Scs1=12r(θ3602πr)(deg)Scs1=θ2r2(rad)Scs1=θ212S_{cs1} = \frac{1}{2}r\cdot(\frac{\theta}{360}2\pi r)(deg)\\ S_{cs1} = \frac{\theta}{2}r^2(rad)\\ S_{cs1}=\frac{\theta}{2}\cdot 1^2

반지름이 1인 부채꼴 내부에서 가장 큰 삼각형의 넓이

St=sinθ2S_{t}=\frac{sin\theta}{2}

삼각형의 내부에서 가장 큰 부채꼴의 넓이

Scs2=θ2cos2θS_{cs2}=\frac{\theta}{2}\cdot cos^2\theta

조임정리를 통한 극한 도출

Scs2<St<Scs1θ2cos2θ<sinθ2<θ212cos2θ<sinθθ<1limh0cos2h<limh0sinhh<limh01limh0cos2h=limh01=1limh0sinhh=1S_{cs2}<S_t<S_{cs1}\\\frac{\theta}{2}\cdot cos^2\theta<\frac{sin\theta}{2}<\frac{\theta}{2}\cdot 1^2\\cos^2\theta<\frac{sin\theta}{\theta}<1\\\lim_{h\rightarrow0}cos^2h<\lim_{h\rightarrow0}\frac{sinh}{h}<\lim_{h\rightarrow0}1\\\lim_{h\rightarrow0}cos^2h=\lim_{h\rightarrow0}1=1\\\lim_{h\rightarrow0}\frac{sinh}{h}=1

sin함수의 도함수

f(x)=sinxf(x)=limh0sin(x+h)sinxhf(x)=limh0sinxcosh+cosxsinhsinxhf(x)=sinxlimh0(cosh1)h+cosxlimh0sinhhf(x)=sinx0+cosx1f(x)=cosxf(x)=sinx\\f'(x)=\lim_{h\rightarrow0}\frac{sin(x+h)-sinx}{h}\\f'(x)=\lim_{h\rightarrow0}\frac{sinxcosh+cosxsinh-sinx}{h}\\f'(x)=sinx\lim_{h\rightarrow0}\frac{(cosh-1)}{h}+cosx\lim_{h\rightarrow0}\frac{sinh}{h}\\f'(x)=sinx\cdot0+cosx\cdot1\\f'(x)=cosx f(x)=sin(x),f(x)=cos(x)f(x) = sin(x), f'(x) = cos(x)

cos함수의 도함수를 구하시오.


cos함수의 도함수

f(x)=cosxf(x)=limh0cos(x+h)cosxhf(x)=limh0cosxcoshsinxsinhcosxhf(x)=cosxlimh0cosh1hsinxlimh0sinhhf(x)=cosx0sinx1f(x)=sinxf(x)=cosx\\f'(x)=\lim_{h\rightarrow0}\frac{cos(x+h)-cosx}{h}\\f'(x)=\lim_{h\rightarrow0}\frac{cosxcosh-sinxsinh-cosx}{h}\\f'(x)=cosx\lim_{h\rightarrow0}\frac{cosh-1}{h}-sinx\lim_{h\rightarrow0}\frac{sinh}{h}\\f'(x)=cosx\cdot0-sinx\cdot1\\f'(x)=-sinx f(x)=cos(x),f(x)=sin(x)f(x) = cos(x), f'(x) = -sin(x)

매클로린 급수(Maclaurin’s series)


여기부분 재미있습니다.

Unity의 버스트 컴파일러는 정확도를 희생하여 최적화를 수행하는(accuracy sacrificing optimization) 가능한데, 이게 유추하기론 테일러급수를 통한 최적화일 가능성이 있다는 것이죠.

유니티 DOTS 문서 발췌 [https://blog.unity.com/kr/technology/on-dots-c-c](https://blog.unity.com/kr/technology/on-dots-c-c) 아, 그거아시나요? mathemetics가 아니라 mathematics 입니다.

유니티 DOTS 문서 발췌 https://blog.unity.com/kr/technology/on-dots-c-c 아, 그거아시나요? mathemetics가 아니라 mathematics 입니다.

그 테일러 급수의 부분집합이 바로 매클로린 급수입니다.

등비수열의 정의와 등비수열을 구성하는 요소를 나열하고 n번째 항을 표현하시오


등비수열(Geometric Sequence)

일정한 비를 가지는 수열을 의미합니다.

  • 초항(First term) : a
  • 공비,등비 (Common Ratio) : r
  • 점화식 : an=arn1a_n = a r^{n-1}
  • 일반항 : an=arn1a_n = a r^{n-1}

등비급수의 정의와 등비급수가 수렴할 때의 조건과 그 값을 구하시오.


등비급수(Geometric Series)

각 항 간의 비가 일정한 급수를 말합니다. 앞의 항에 일정한 수를 곱하여 다음 항이 됩니다.

등비급수가 수렴할 때의 조건과 그 값

sn=a+ar+ar2+ar3++arn1rsn=ar+ar2+ar3+ar4++arn snrsn=aarnsn(1r)=a(1rn)sn=a(1rn)1r limnsn=limna(1rn)1rlimnsn=limn(a1rarn1r)limnsn=a1ra1rlimnrns_n=a+ar+ar^2+ar^3+\cdots+ar^{n-1}\\rs_n=ar+ar^2+ar^3+ar^4+\cdots+ar^n\\\space\\s_n-rs_n=a-ar^n\\s_n(1-r)=a(1-r^n)\\s_n=\frac{a(1-r^n)}{1-r}\\\space\\\lim_{n\rightarrow\infty}s_n=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a(1-r^n)}{1-r}\\\lim_{n\rightarrow\infty}s_n=\lim_{n\rightarrow\infty}(\frac{a}{1-r}-\frac{ar^n}{1-r})\\\lim_{n\rightarrow\infty}s_n=\frac{a}{1-r}-\frac{a}{1-r}\cdot\lim_{n\rightarrow\infty}r^n

해당식의 실질적 의미를 가지는 공비, r의 값을 살펴보면

  • r=1r=1 인 경우 : 발산
  • r>1\vert r\vert >1 인 경우 : 발산
  • r<1\vert r\vert <1 인 경우 : 수렴
  • r=1r=-1 인 경우 : 발산

따라서 수렴할때의 조건은

  • 1<r<1-1<r<1 입니다.

멱급수의 정의와 멱급수가 수렴함을 판정하기 위한 비판정법에 대해 정리하시오.


멱 급수(Power Series)

각 항들이 xnx^n 형태의 무한급수입니다.

f(x)=n=0cnxn=c0+c1x+c2x2++cnxn+f(x) = \sum_{n=0}^{\infin}c_nx^n = c_0+c_1x+c_2x^2+\cdot\cdot\cdot+c_nx^n + \cdot\cdot\cdot
  • cnc_n = 상수 계수, xx = 변수

비판정법(비율판정법, ratio test)

이름을 보면 느낄 수 있죠? 변화의 비율을 보며 수렴인지 발산인지 판정하는 방법입니다.

L=limn an+1anL=\lim_{n\rightarrow\infty}\space \vert \frac{a_{n+1}}{a_n}\vert

해당 값이 나올 수 있는 케이스에 대해

  • L<1L<1 인 경우 : 수렴
  • L>1L>1 인 경우 : 발산
  • L=1L=1 인 경우 : 수렴 또는 발산

입니다.

비판정법을 사용해 멱급수의 일종인 등비급수가 수렴하기 위한 조건을 정리하시오.


등비급수에서 비판정법을 나타내볼까요?

L=limnarn+1arn=rL=\lim_{n\rightarrow\infin} \bigg\vert \frac{a\cdot r^{n+1}}{a\cdot r^n}\bigg\vert = \vert r\vert

frac과 \bigg \vert 이 좀 문제네요.

아 그거아시나요? https://latex.codecogs.com/png.latex? 를 통해 이미지를 구해올 수 있습니다.

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수렴조건은 비판정법과 같습니다. 이를 정리하면,

L<1=r<1L<1\quad=\quad\vert r\vert <1

입니다.

어떤 함수가 멱급수로 표현가능하다고 가정했을 때 멱급수를 구성하는 각 계수의 값이 가지는 규칙을 정리하시오.


f(x)=n=0cnxn=c0+c1x+c2x2++cnxn+f(x) = \sum_{n=0}^{\infin}c_nx^n = c_0+c_1x+c_2x^2+\cdot\cdot\cdot+c_nx^n + \cdot\cdot\cdot

위와 같은 멱급수를 매번 미분한다면 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

f(x)=c0+c1x+c2x2+c3x3+f(x)=1c1+2c2x1+3c3x2+f(x)=12c2+23c3x1+f(x) = c_0+c_1\cdot x+c_2\cdot x^2+c_3\cdot x^3 +\cdots \\ f'(x) = 1\cdot c_1 + 2\cdot c_2\cdot x^1 + 3\cdot c_3\cdot x^2 +\cdots\\ f''(x) = 1\cdot 2\cdot c_2+ 2\cdot 3\cdot c_3\cdot x^1 +\cdots

어라? 계수부에 재미있는게 보이죠? 미분할때마다 규칙성이 보여요!

이제 0을 대입해 봅시다.

f(0)=c0=0!c0f(0)=1c1=1!c1f(0)=12c2=2!c2f(0) = c_0 = 0! \cdot c_0\\ f'(0) = 1\cdot c_1 = 1! \cdot c_1\\ f''(0) = 1\cdot 2\cdot c_2= 2! \cdot c_2\\

이렇게 여러번 미분한 도함수를 n계 도함수(n th derivative)라고 말하는데,

f(n)=ff^{(n)} = f^{''\cdots'}

로 표기합니다.


그렇다면 계수의 값은

cn=f(n)(0)n!c_n = \frac{f^{(n)}(0)}{n!}

라고 볼 수 있죠.

자연지수함수는 멱급수로 표현이 가능한가? 왜 그런지 그 이유를 설명하시오.


자연지수함수의 멱급수 표현은 다음과 같습니다.

ex=1+x+x22!+x33!+x44!+=n=0xnn!e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}+ \cdot\cdot\cdot =\sum_{n=0}^{\infin}\frac{x^n}{n!}

왜냐하면, 비판정법에 의거해

L=limnxn+1(n+1)!xnn!=limnxn+1L<1L=\lim_{n\to\infty}\frac{\frac{x^{n+1}}{(n+1)!}}{\frac{x^n}{n!}} =\lim_{n\to\infty}\frac{x}{n+1}\\ \therefore L<1

수렴함이 증명되기 때문입니다.

맺음말


입원까지 7시간13분전, 수학과제 완료.

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